地铁长大过海区间隧道通风排烟方案

朱祝龙， 田 峰， 陈 洋， 张 宇

(中铁隧道勘测设计院有限公司第五设计分院， 天津 300133)

地铁长大过海区间隧道通风排烟方案

朱祝龙， 田 峰， 陈 洋， 张 宇

(中铁隧道勘测设计院有限公司第五设计分院， 天津 300133)

针对地铁长大过海区间隧道通风排烟问题，结合青岛地铁1号线瓦贵区间工程，采用理论及对比分析、数值解算等方法，分析过海区间隧道区间风井设置、火灾工况气流组织等问题。介绍青岛地铁1号线瓦贵区间概况，然后提出区间风井设置的要点，参考国内相关城市过江工程实例，采用土建排烟风道，以保证灾害工况下两车追踪人员的疏散安全。阐述陆域段防排烟和海域段防排烟方案，对于陆域段，排烟方案可以按照常规地铁区间进行设置；对于海域段，需根据区间长度，采用全吊顶或者局部吊顶排烟方案。通过研究区间火灾安全目标，设定热释放功率为10 MW，隧道临界风速为2.1 m/s，重点排烟量为80 m3/s，并绘制通风网络解算结果图，解算结果表明各区间风井的防排烟系统均满足规范要求。

地铁； 长大过海区间； 通风排烟； 隧道； 海域防排烟； 通风网络解算

1 研究背景

近年来，地铁过海隧道作为改善城市环境、缓解城市交通的有效措施开始出现。地铁运营期间的主要灾害为火灾事故、大客流的人群踩踏事故、地铁工程水淹事故、恐怖袭击时的爆炸和毒气泄漏事故、高架线路列车脱轨事故等。对国内外地铁火灾、水灾、停电、列车出轨或相撞、爆炸、地震等事故进行统计，如图1所示[1-2]。

图1 地铁事故分布Fig.1 Statistics of subway accidents

从图1可以看出，火灾事故是威胁地铁安全的主要因素，约占地铁事故总数的57%。由于过海区间隧道路径较长、过江隧道断面较小、人流密集等因素，地铁过江隧道一旦发生火灾，温度上升快、浓烟不易扩散、人员疏散困难，极易造成较大人员伤亡事故[3-4]。因此，如何科学、合理地进行地铁长大过海隧道的火灾烟气控制，已经成为一个非常重要的课题。本文结合青岛地铁1号线瓦贵区间分析地铁长大区间隧道区间风井、通风排烟方案的设置问题，利用通风网络解算程序MVNS对通风排烟方案进行验证，提出适合地铁长大过海区间隧道的通风排烟方案，为控制地铁区间火灾烟气和人员疏散提供依据。

2 工程概况

青岛地铁1号线瓦屋庄站—贵州路站区间(以下简称瓦贵区间)，起自黄岛区瓦屋庄站，线路沿既有胶州湾隧道东侧向北下穿胶州湾湾口海域后，接入青岛主城区贵州路站。线路全长约7.8 km，其中海域段约3.5 km。采用B型车6辆编组，定员1 460人，陆域段最高设计时速为80 km/h，海域段最高设计时速为100 km/h。综合考虑线路、施工组织及防灾救援等因素，瓦贵区间采用单洞双线。

3 区间风井设置

远期高峰时段瓦贵区间内同一时刻有3列列车运行，两车最小行车间距分别为陆域2 100 m、海域2 700 m。为保证火灾情况下的行车安全，信号专业需强制保证每个通风区间仅有1列列车运行。另为保证乘客安全疏散，灾害工况隧道内送风方向需与乘客疏散方向相反，尽量使人烟分离，保证人员疏散隧道内的能见度和安全性。

结合隧道线路、地面条件和车站站位，整个过海区间设置3座区间风井，风井中心里程初定为K15+700(1#风井，位于薛家岛车辆段内)、K16+800(2#风井，位于薛家岛岸边)和K20+800(3#风井，位于团岛岸边军事用地院墙外侧绿地内)，则瓦屋庄站至1#风井区间、1#风井至2#风井区间以及3#风井至贵州路站区间内远期高峰时段仅有1列列车运行，风井布置如图2、3所示。

图2 区间风井平面布置示意Fig.2 Diagram of the tunnel shaft layout

图3 区间风井平面布置Fig.3 Diagram of the subsea tunnel shaft

4 通风排烟方案

4.1 陆域段防排烟方案

根据前述分析，瓦屋庄站至贵州路站陆域段区间远期高峰时段同一时刻最多有1列车运营，火灾时采用轴流风机推拉式送风排烟方案，风机运行模式需根据火灾点位置及车站、区间风井风机布置综合考虑。列车火灾气流组织如图4、5所示。

图4 陆域段瓦屋庄站—1#风井区间列车火灾气流组织示意Fig.4 Diagram of air current with fire in 1# shaft of Wawuzhuang station for land area

图5 陆域段3#区间风井—贵州路站区间列车火灾气流组织示意Fig.5 Diagram of air current with fire in 3# shaft of Guizhoulu station for sea area

4.2 海域段防排烟方案

海域段(2#风井至3#风井4 km区间)远期高峰时段同一时刻有2列车运行，可以采用分段纵向排烟及半横向排烟方案。借鉴南京、武汉、厦门等城市轨道交通工程实例，在行车隧道上部设置土建排烟道，有局部设置排烟道和全长设置排烟道两种方案，如图6所示。

图6 海域段土建排烟道设置示意Fig.6 Diagram of smoke duct in sea area

为了避免海域段列车追踪，局部土建排烟道应能将整个区间划分为2个区段，且分段长度小于2 700 m。采用局部土建排烟道设置方案，若2#至3#区间风井为一个牵引供电区段，当前车车尾或后车车头着火排烟时将影响非火灾车辆人员的疏散。虽然局部土建排烟道设置方案工程投资少，施工工期短，但其不能解决整个海域段牵引断电时着火列车的排烟问题，因此海域段采用全长设置土建排烟道方案。全长设置排烟道时列车火灾气流组织示意如图7所示。

图7 列车火灾排烟气流组织Fig.7 Air current of smoke extraction when the train catched fire

5 区间火灾通风网络解算

5.1 区间火灾安全目标

1) 火源热释放功率。对于国内新投入运行的地铁车辆，其结构都是由不燃或阻燃材料构成，列车内发生火灾多是由于乘客的行李燃烧后引起车厢内材料的局部燃烧。热释放速率设定为10 MW。

2) 排烟风速设定。《地铁设计规范》[9]第28.4.12条要求：区间隧道火灾的排烟量，应按单洞区间隧道断面的排烟流速不小于2 m/s且高于计算的临界风速计算，但排烟流速不得大于11 m/s。当隧道采用纵向通风控制烟流时，纵向风速应大于临界风速。纵向通风临界速度可由Kenndy公式[10]计算。

Vc=K1Kg(gHQ/ρCpATf)1/3

(1)

Tf=(Q/ρCpAVc)+T

(2)

Kg=1+0.0374G0.8

(3)

式中，K1=0.606；Vc为临界风速，m/s；H为隧道顶高度，m；A为隧道断面面积，m2；G为隧道坡度；Kg为坡度修正系数；Tf为烟气平均温度，K；T为环境空气温度，K；Cp为空气定压比热，kJ/(kg·K )；g为重力加速度，m/s2；ρ为空气密度，kg/m3。

经计算，本隧道临界风速为2.1 m/s。

3) 半横向排烟量设定。当隧道采用重点排烟时，根据《上海市建筑防排烟技术规程》相关要求，可采用轴对称模型计算火灾产烟量：

(4)

(5)

(6)

ΔTP=Qc/MρCp

(7)

V=MpT/ρ0T0

(8)

式中，Qc为热释放量的对流部分，一般取0.7Q，kW；Z为燃料面到烟层底部的高度，m；Z1为火焰极限高度，m；Mp为烟缕质量，kg/s；ΔTP为烟气平均温度和环境温度差，K；Cp为空气定压比热，kJ/(kg·K )；V为排烟量，m3/s；ρ0为环境空气温度下的密度，kg/m3；T0为环境绝对温度，K；T为烟气的绝对温度，K。

经计算，火灾下烟气产烟量为51 m3/s。根据文献[11]研究，当排烟道风量达到80 m3/s时，能长时间将10 MW规模火灾的烟气控制在列车周边150 m范围内，乘客只要及时撤离有烟区域即能安全疏散出去。因此综合产烟量、最大漏风量及相关研究，本研究设定重点排烟量为80 m3/s。

5.2 网络解算

青岛地铁1号线采用站台门系统，隧道通风系统采用双活塞风道模式。每座车站设置4台隧道风机，每台风量为60 m3/s。结合前述分析，1#风井设置2台隧道风机，每台风量为60 m3/s；2#和3#风井分别设置2台隧道风机，每台风量为80 m3/s。当区间发生火灾时，车站U/O风机不开启，因此计算时不予考虑，火灾阻力根据PIARC经验公式进行计算后作为自然风压等效处理，停止列车的计算通风阻力等效隧道流程阻力[7]，通风网络示意如图8所示。

图8 通风网络解算节点图Fig.8 Node diagram of ventilation network calculation in subsea tunnel

以左线海域段发生火灾为例，开启2#风井风机进行排烟，3#风井风机进行补风，在隧道内形成沿行车方向的气流，海域段通风网络解算结果如图9所示。各区间火灾(均以左线为例)通风网络解算结果如表1所示。

图9 海域段通风网络解算结果Fig.9 Result of ventilation network calculation in subsea tunnel

5.3 解算结果判定

根据表1，各区间结果判定如表2所示。

6 结论与建议

对于地铁长大过海区间，需针对不同区域设置不同的排烟方案。对于陆域段，排烟方案可以按照常规地铁区间进行设置；对于海域段，需根据区间长度，采用全吊顶或者局部吊顶排烟方案。

表1 火灾工况计算风量

表2 对比分析结果

本文仅针对长大区间及相邻两车站进行火灾风网解算，尚有待后续纳入全线进行解算，以便提出更全面的火灾排烟方案及火灾工况下设备的联动措施。另外，需结合通风排烟方式综合考虑人员疏散，以便对工程最终实施提供更可靠的理论支撑。

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(编辑：王艳菊)

Ventilation and Smoke Extraction in Long Subsea Subway Tunnel

ZHU Zhulong, TIAN Feng, CHEN Yang, ZHANG Yu

(Fifth Design Branch, China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co., Ltd., Tianjin 300133)

Some technical problems including ventilation and smoke exhaust, fire escape and evacuation, etc., have occurred in long subsea tunnels with the rapid development of tunneling technology which allows to construct longer and more complicated subsea tunnels. Shaft and smoke extraction in the subsea section of the tunnel is analyzed by citing Wagui tunnel in Line 1 in Qingtao as a case. Theoretical and contrastive analysis is made and ventilation network calculation is done. The reasonable and feasible ventilation and smoke extraction that can ensure safe operation of the tunnel is put forward. The fire safety target is studied and it is found that the heat release power is set to 10 MW, the tunnel critical wind velocity is 2.1 m/s, the smoke emission is 80 m3/s, and the results of the ventilation network are plotted. The solution shows that every smoke control system of the ventilation can meet the requirements of the code.

subway; long subsea section; ventilation and smoke extraction; tunnel; smoke prevention and control; ventilation network solution

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.01.019

2016-01-15

2016-06-27

朱祝龙，男，工程师，硕士，主要从事地铁、公路隧道及铁路隧道设计工作，Zhuzhulongqd@163.com

U231.5

A

1672-6073(2017)01-0094-04